Оптопары (оптроны) - это оптоэлектронные приборы, которые используют свет для передачи сигнала между двумя электрическими цепями без непосредственного контакта.
Оптопары состоят из светоизлучающего элемента (например, светодиода) и фотоприемника (например, фототранзистора), которые связаны оптическим каналом. Оптрон - это более общее понятие, которое может включать в себя не только оптопары, но и более сложные оптоэлектронные приборы, такие как оптоэлектронные микросхемы, оптореле, оптотиристоры и т.д.
Что такое оптопара
Итак, оптрон — оптоэлектронный прибор, главными функциональными частями которого выступают источник света и фотоприемник, гальванически не связанные друг с другом, но расположенные внутри общего герметичного корпуса.
Принцип действия оптрона базируется на том, что подаваемый на него электрический сигнал вызывает свечение на передающей стороне, и уже в форме света сигнал принимается фотоприемником, инициируя электрический сигнал на приемной стороне. То есть сигнал передается и принимается посредством оптической связи внутри электронного компонента.
Оптопара - наиболее простая разновидность оптрона. Она состоит только из излучающей и принимающей частей.
Более сложная разновидность оптрона — оптоэлектронная микросхема, внутри которой содержится несколько оптопар, сопряженных с одним либо несколькими согласующими или усилительными устройствами.
Таким образом, оптопара представляет собой электронный компонент, обеспечивающий оптическую передачу сигнала в цепи без гальванической связи между источником сигнала и его приемником, поскольку фотоны, как известно, электрически нейтральны.
Структура и характеристики оптопар
В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения.
Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.
Оптопара характеризуется в первую очередь коэффициентом передачи по току CTR, то есть отношением токов входного и выходного сигналов.
Следующий параметр — скорость передачи сигнала, по сути - граничная частота fc работы оптопары, связанная с временами фронта tr и среза tf для передаваемых импульсов.
Наконец, параметры, характеризующие оптопару с точки зрения гальванической развязки: сопротивление развязки Riso, максимальное напряжение Viso и проходная емкость Cf.
Входное устройство, входящее в структуру оптрона, предназначено для создания оптимальных условий работы излучателя (светодиода), для смещения рабочей точки в линейную зону ВАХ.
Входное устройство обладает достаточным быстродействием и широким диапазоном входных токов, обеспечивая надежность передачи информации даже при малом (пороговом) токе. Оптическая среда находится внутри корпуса, через нее передается свет от излучателя к фотоприемнику.
В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды.
Оптроны с управляемым оптическим каналом имеют ряд преимуществ перед обычными оптронами, такие как:
- Возможность изменять характеристики оптического канала в зависимости от внешних условий и требований к сигналу;
- Уменьшение влияния температуры, влажности, пыли и других факторов на оптический канал;
- Увеличение скорости переключения и частотного диапазона передаваемого сигнала;
- Уменьшение энергопотребления и габаритов оптрона.
На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический.
Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.
Применение оптопар
Оптопары находят широкое применение в цепях гальванической развязки блоков различной аппаратуры, где есть низковольтные и высоковольтные цепи, цепи управления развязываются от силовых цепей: управление мощными симисторами и тиристорами, схемами реле и т. д.
В радиотехнических схемах модуляции и автоматической регулировки усиления используются диодные, транзисторные и резисторные оптроны. Через воздействие по оптическому каналу схема бесконтактно регулируется и выводится на оптимальный рабочий режим.
Оптопары настолько универсальны, что даже просто в качестве элементов гальванической развязки и бесконтактного управления применяются в настолько разнообразных отраслях и в таком количестве уникальных функций, что все и не перечислить.
Вот лишь некоторые из них: вычислительная техника, техника связи, автоматика, радиоаппаратура, системы автоматизированного управления, измерительные приборы, системы контроля и регулирования, медицинская техника, устройства визуального отображения информации и многое многое другое.
Оптопары не только обеспечивают гальваническую развязку и бесконтактное управление, но и позволяют реализовывать различные логические функции, такие как инвертор, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д. Оптопары также могут выполнять функции усилителя, модулятора, демодулятора, компаратора, регулятора, стабилизатора и т.д.
Оптопары могут работать как в аналоговом, так и в цифровом режиме, что расширяет их возможности и области применения.
Достоинства и недостатки оптопар
Применение оптопар на печатных платах позволяет добиться идеальной гальванической развязки, когда требования к изоляции высоковольтных и низковольтных, входных и выходных цепей по сопротивлению чрезвычайно высоки.
Напряжение между цепями передатчика и приемника популярной оптопары PC817 составляет, например, 5000 В. Кроме того с помощью оптической развязки достигается чрезвычайно малая проходная емкость, порядка 1 пф.
При помощи оптопар очень просто реализуется бесконтактное управление, при этом сохраняется простор для уникальных конструкторских решений касательно непосредственно управляющих цепей. Немаловажно здесь и то, что совершенно отсутствует реакция приемника на источник, то есть информация передается однонаправленно.
Широчайшая полоса пропускания оптопары исключает ограничения накладываемые низкими частотами: при помощи света можно передавать хоть постоянный сигнал, хоть импульсный, причем с очень крутыми фронтами, что принципиально невозможно осуществить при помощи импульсных трансформаторов.
Канал связи внутри оптопары абсолютно невосприимчив к воздействию электромагнитных полей, поэтому сигнал защищен от помех и наводок. Наконец, оптопары полностью совместимы с прочими электронными компонентами.
Оптопары имеют и некоторые недостатки, которые следует учитывать при их применении. Одним из них является относительно низкая скорость переключения, которая ограничивает частотный диапазон передаваемого сигнала.
Другим недостатком является высокое энергопотребление, так как для возбуждения светодиода требуется достаточно большой ток.
Также оптопары подвержены влиянию температуры, которая может изменять их параметры, такие как коэффициент передачи, сопротивление, напряжение пробоя и т.д. Поэтому при выборе оптопары необходимо учитывать все эти факторы, а также условия эксплуатации и требования к качеству сигнала.
Андрей Повный